基于CFD模擬的燃?xì)庠钊紵鹘Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

周亮

摘要：用燃?xì)庠钊紵鞯膫鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)研發(fā)方式存在著周期長(zhǎng)、成本高等缺點(diǎn)。數(shù)值模擬方法的興起和發(fā)展，為燃?xì)庠罹叩脑O(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了便利，能夠有效地縮短工程周期、節(jié)約成本。本論文以大氣式燃?xì)庠钊紵髯鳛檠芯繉?duì)象，建立三維物理模型，采用Realizable k-e湍流模型、DO輻射模型及渦耗散燃燒模型，進(jìn)行燃?xì)庠顢?shù)值模擬分析，通過(guò)從燃?xì)庠钏俣葓?chǎng)、煙氣濃度場(chǎng)、溫度場(chǎng)等方面分析了燃燒器的性能，得出在鍋底增加隔熱分流擋片能夠成功地降低鍋底中心區(qū)域溫度40℃。

關(guān)鍵詞：燃?xì)庠钊紵?數(shù)值模擬 隔熱分流擋片 防干燒

Research on Structure Design of Gas Stove Burner Based on CFD Simulation

ZHOU Liang（Guangdong Vanward New Electric Co.， Ltd. 528305）

Abstract：The traditional experimental research and development methods of domestic gas stove burners have shortcomings such as long cycle and high cost. The rise and development of numerical simulation methods have facilitated the design and optimization of gas stoves， which can effectively shorten the engineering cycle and save costs. In this thesis， the atmospheric gas stove burner is taken as the research object， and the three-dimensional physical model is established. The Realizable k-e turbulence model， the DO radiation model and the eddy-dissipative combustion model are used to simulate the gas stove numerical simulation. The performance of the burner was analyzed in the speed field ，the concentration field of flue gas terms and temperature field from the gas stove. It was found that the addition of the heat-insulating shunt at the bottom of the pot can successfully reduce the temperature of the center of the pot at 40°C.

Keywords：Gas stove burner，Numerical Simulation，heat-insulating shunt，Anti-dry

1、引言

由于燃?xì)庠罴夹g(shù)研發(fā)涉及到專利保護(hù)等方面的緣故，國(guó)外文獻(xiàn)中呈現(xiàn)的是利用現(xiàn)存產(chǎn)品進(jìn)行研究的成果。Shuhn.Shyurrg和Yung.ChangKo[1]研究了灶頭火孔傾角對(duì)火焰結(jié)構(gòu)的影響，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了鍋支架高度對(duì)火焰結(jié)構(gòu)和熱效率的影響規(guī)律，鍋支架高度為12mm、火孔傾角為60°時(shí)高溫區(qū)域最大且熱效率也較高。Hcu SS等[2]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于甲烷空氣混合氣體，鍋支架高度對(duì)燃燒溫度場(chǎng)分布、火焰結(jié)構(gòu)及熱效率的影響最顯著。Hou等[3]研究發(fā)現(xiàn)火焰結(jié)構(gòu)受燃?xì)庠罨鹂變A角的影響，且在鍋支架高度較低時(shí)影響更顯著，其結(jié)果為設(shè)計(jì)提供了有力參考。Stoningtcn等[4]通過(guò)使用多個(gè)控制參數(shù)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，以此來(lái)研究三種不同型號(hào)燃?xì)庠钊紵鞯臒峁ば阅?，研究結(jié)果表明：燃?xì)庠顭峁ば阅埽ㄖ饕溉細(xì)庠顭嵝剩┎粌H受鍋支架高度與燃燒時(shí)火焰長(zhǎng)度二者比值的影響（只有在坐鍋狀態(tài)下），而且還受熱負(fù)荷波動(dòng)的影響（坐鍋與不坐鍋狀態(tài)），實(shí)驗(yàn)顯示增加它們中的任何一項(xiàng)都會(huì)降低熱效率。馮良[5]等人采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)Computational Fluid Dynamic（CFD），模擬了大氣式燃?xì)馊紵髦幸淦鞯牧鲌?chǎng)，結(jié)果表明通過(guò)數(shù)值模擬不僅可以提供詳細(xì)的流場(chǎng)信息，而且具有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。本課題并非純理論研究，而是基于本公司的一款新型防干燒家用灶具的防干燒裝置，防干燒裝置材料的局限性要求測(cè)溫探頭溫度在一定的區(qū)間內(nèi)，本課題研究的核心技術(shù)即為如何控制特定區(qū)域的溫度區(qū)間。基于此課題，本文先用CFD仿真模擬得出設(shè)計(jì)方案的可行性，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終得到燃燒器的合理結(jié)構(gòu)。

2、燃?xì)庠钊紵髂Ｐ偷慕?/p>

本論文研究的燃燒器是以天然氣為燃料的大氣式燃燒器，圖1為燃燒器3D模型圖及實(shí)物圖。

本研究對(duì)網(wǎng)格類型的選擇，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方式。同時(shí)在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，對(duì)于結(jié)構(gòu)尺寸比較小的部位，比如噴嘴和火孔，以及燃燒區(qū)域，先進(jìn)行局部加密，后進(jìn)行整體網(wǎng)格劃分，這樣既保證模型劃分網(wǎng)格的質(zhì)量也減少了模型整體的網(wǎng)格數(shù)量，有利于提高計(jì)算結(jié)果的精度和節(jié)省計(jì)算時(shí)間，模型的整體網(wǎng)格數(shù)約為260萬(wàn)，如圖2（2）所示。本研究涉及到的流動(dòng)問(wèn)題可以近似認(rèn)為不可壓縮流體的流動(dòng)，所以求解器選擇壓力求解器（將動(dòng)量和壓力或者壓力修正作為主要變量），并且速度屬性選擇絕對(duì)速度；時(shí)間屬性選擇穩(wěn)態(tài)即穩(wěn)態(tài)運(yùn)算。[6-9]

能量守恒定律是包含有熱交換的流動(dòng)系統(tǒng)一定要滿足的基本定律。但是對(duì)于不可壓縮流動(dòng)，如果熱交換量很小以至于可以忽略時(shí)，可不列出能量守恒方程。不過(guò)本研究涉及到燃燒過(guò)程，其中輻射傳熱是不可忽略的（燃燒溫度最高可達(dá)2000℃，溫差范圍最大可達(dá)1700℃），故能量守恒方程也是本研究必須考慮的基本守恒方程之一。能量守恒定律可表述為：微元體中能量的增加率等于進(jìn)入微元體的凈熱流量加上體力與面力對(duì)微元體所做的功，即熱力學(xué)第一定律。

本研究選用的湍流模型是Realizable k-ε模型，首先因?yàn)镽ealizable k-ε模型能使得模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合性更好，其次，Realizable k-ε模型能較精確地預(yù)測(cè)平面和圓形射流擴(kuò)散作用，在旋轉(zhuǎn)流動(dòng)、邊界層流動(dòng)、流動(dòng)分離和二次流等方面也有很好的表現(xiàn)：最后，考慮到計(jì)算機(jī)性能及計(jì)算所用時(shí)間等因素，所以本研究選用Realizable k-ε模型。

本研究選用DO模型，原因是DO模型是適用范圍最廣的模型，它不僅精度高，而且考慮的因素多，其計(jì)算范圍涵蓋了從表面輻射、半透明介質(zhì)輻射到燃燒問(wèn)題中出現(xiàn)的參與性介質(zhì)輻射在內(nèi)的各種輻射問(wèn)題。

燃?xì)庠钗锢砟Ｐ椭校淄椴捎觅|(zhì)量速度入口（massflow-inlet），二次空氣入口邊界采用壓力入口（pressure-inlet），出口邊界均采用壓力出口（pressure-outlet）；鍋壁面邊界采用無(wú)速度滑移、無(wú)質(zhì)量滲透的固溫邊界條件（Temperature）；除了灶頭設(shè)置為固體邊界條件（solid），其他的區(qū)域均設(shè)置為流體邊界條件（fluid）。本研究中速度入口和壓力出口等邊界條件的氣體湍流參數(shù)采用給定湍流強(qiáng)度，和水力直徑D（此方法有利于模擬計(jì)算的快速收斂），其水力直徑定義為四倍的流通面積與濕周周長(zhǎng)之比，濕周為流通截面上流體與固體壁面接觸的長(zhǎng)度。

通過(guò)對(duì)大氣式燃?xì)庠钊紵^(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了燃?xì)庠罡鹘M分濃度場(chǎng)分布和燃燒的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)。由于所研究的對(duì)象為三維模型，所以均取截面進(jìn)行分析，且建立的模型坐標(biāo)原點(diǎn)位于火蓋上平面中心下方40mm處。

3、燃燒器性能分析

3.1 有無(wú)隔熱分流擋片的速度場(chǎng)分布

圖3（1）顯示引射器截面的甲烷氣體的濃度分布圖，甲烷氣體在一定壓力下，以一定流速?gòu)膰娮靽姵霾⒖孔陨淼哪芰课胍淮慰諝?，由于一次空氣是甲烷氣體依靠其動(dòng)能吸入，所以甲烷氣體的速度減小而一次空氣速度增加；收縮段后進(jìn)入混合段（引射器類似文丘里管，由收縮段、混合段和擴(kuò)壓段組成）其混合段作用是使得甲烷氣體和空氣混合均勻，由矢量圖3（2）可以看出剛開始速度分布呈現(xiàn)中間速度大、壁面附近速度小的狀態(tài)，但在混合段尾端附近，其混合氣速度分布較均勻，由于氣體混合是耗能過(guò)程，所以混合氣體平均速度減小，由于后半段是擴(kuò)壓段，部分動(dòng)壓轉(zhuǎn)化為靜壓，最終混合氣體在火孔出口處燃燒。

如圖4所示，對(duì)比火孔出口流速，發(fā)現(xiàn)無(wú)隔熱分流擋片的流速略高于有隔熱分流擋片的出口流速，主要是因?yàn)楦魺岱至鲹跗拇嬖谠龃罅梭w系的靜壓力，導(dǎo)致出口流速變小。

3.2 有無(wú)隔熱分流擋片的組分濃度場(chǎng)分布

從圖5（1）可以看出燃?xì)庠罨鹂滋嶤O濃度較高，原因是甲烷和一次空氣混合燃燒，其反應(yīng)是二步反應(yīng)，首先甲烷和一次空氣反應(yīng)生成CO，CO再和剩余的氧及從周圍卷吸的二次空氣繼續(xù)反應(yīng)生成CO2，故火孔處CO濃度較高。對(duì)比兩種結(jié)構(gòu)的一氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖可以看出，添加隔熱分流擋片后，CO的濃度減小，這說(shuō)明隔熱分流擋片對(duì)煙氣的減小有一定的作用，另一方面，圖5（3）表示氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖，由圖可知火焰燃燒區(qū)域由于燃燒消耗大量氧氣，使得該區(qū)域氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)非常低，燃?xì)馊紵a(chǎn)生的高溫?zé)煔庋刂伇谙蛏狭鲃?dòng)使得鍋壁附近的氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于空氣中的氧含量。而隔熱分流擋片的存在阻礙了二次空氣的進(jìn)入，迫使來(lái)不及燃燒的燃?xì)馔献?，相?duì)的中心區(qū)域的氧含量比無(wú)隔熱分流擋片略高一點(diǎn)，最終導(dǎo)致高溫區(qū)外移，從而降低了中心區(qū)域的溫度，

3.3 有無(wú)隔熱分流擋片的溫度場(chǎng)分布

如圖6可以看出，燃?xì)夂鸵淮慰諝獾幕旌蠚怏w從火孔中以一定速度噴出，在噴出同時(shí)被點(diǎn)燃，預(yù)混燃燒并形成片狀火焰，其火焰溫度場(chǎng)呈多層次分布。隨著截面位置的變化，外圈火孔火焰溫度先升高后降低，因?yàn)殚_始隨著截面位置的上升，向著火焰中心移動(dòng)，所以火焰溫度逐漸上升；而后隨著截面位置的上升，其截面遠(yuǎn)離火焰中心同時(shí)與鍋底越來(lái)越近，火焰向鍋底的傳熱和向環(huán)境的散熱增加，所以火焰溫度逐漸下降。中心火孔燃?xì)馊紵目諝庀禂?shù)（包括一次空氣系數(shù)和二次空氣系數(shù)）低于外圈火孔，則中心火孔燃?xì)馊紵闆r不及外圈火孔，故中間火孔火焰溫度低于外圈火孔火焰?；鹧嬷行牟糠譁囟茸罡撸ㄖ饕富鹧驿h面，其最高溫度約為1800℃），從內(nèi)到外溫度呈遞減趨勢(shì)。燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔庀蝈伒酌嬉约板佭呇亓鲃?dòng)，隨著高溫?zé)煔庀蛑車鲃?dòng)的同時(shí)，高溫?zé)煔庖贿呄蝈亗鳠嵋贿呄蛑車岷洼椛?，所以煙氣溫度逐漸減小。燃?xì)馊紵傻母邷責(zé)煔庋刂伇诿嬗上孪蛏狭鲃?dòng)，其溫度分布呈現(xiàn)由下而上逐漸降低，鍋底邊沿?zé)煔鉁囟燃s為700℃。

對(duì)比圖6（1）和圖6（2）兩種結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)可知，在增加隔熱分流擋片后，中心區(qū)域的溫度顏色明顯變淡，即溫度有所降低。圖6（3）為不同高度下的溫度與鍋底徑向位置的關(guān)系圖。通過(guò)對(duì)等半徑的圓取平均溫度得到如表1數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算得出大約有40℃左右的降低，效果明顯。

綜合以上分析，我們對(duì)兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在相同條件下，以溫度傳感器在水燒開5分鐘時(shí)測(cè)得的溫度值T1與溫度傳感器外表面溫度T2作為對(duì)比依據(jù)，見(jiàn)表2。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，兩種結(jié)構(gòu)的真實(shí)溫差大約在50℃，這與仿真的數(shù)據(jù)在定性上是一致的。但由于仿真存在很多假設(shè)的前提，所以對(duì)于結(jié)果偏于理想化，所以CFD仿真對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以起到指導(dǎo)作用。

4、結(jié)論

通過(guò)對(duì)兩種中心分火器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，由模擬仿真可得出在分火器上添加一個(gè)隔熱分流擋片可以降低中心區(qū)域的溫度，大約可降低40℃，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這一結(jié)果，試驗(yàn)與模擬仿真的誤差值大約在20%。由此可以看出，基于CFD的模擬仿真在一定的情況下可以指導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高開發(fā)產(chǎn)品的效率。

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